低碳經濟與煤化工的若干問題(2)

3  CO₂ 的危害及處理

3.1  CO₂ 的危害

在煤化工排放的氣體中，硫的排放受大家重視的程度是比較高的，各種脫硫和硫回收的方法發展得比較快，在實際使用中也有較好的效果。但是對CO₂的排放，長期以來重視程度不夠，往往認為只要達標就可以，基本上是任意排放。

目前，工業化的大國CO₂排放量是比較大的，2007年公布的數據表明，美國是現今二氧化碳排放最多的國家，中國緊隨其后，其次分別為俄羅斯、印度、日本、德國。

地球上CO₂的積累引起的溫室效應直接后果是全球變暖，已經給人類的生活帶來嚴重的影響；若不加以控制，其中有些影響（譬如海面上升、氣候帶移動）等可能對人類造成災難。

3.2　CO₂ 的處理

CO₂處理的問題現在國際上的叫法是CO₂的捕捉和封存。

在化工上，CO₂的捕捉也叫脫碳。它的含義是從工藝氣體或排放氣體中把CO₂和其它氣體分開。在單純脫除CO₂的工藝中，通常是由吸收和解析兩個塔來完成。基本不含CO₂的吸收液被稱為貧液，吸收CO₂后的溶液稱為富液。為了降低能量的消耗，在大型裝置中往往采用半貧液和貧液分段吸收，吸收了部分CO₂的溶液稱為半貧液。當前醇胺溶液的方法很收歡迎，吸收液以Ｎ-甲基二乙醇胺為主要成分即MDEA，主要添加哌嗪等活化劑，這樣的工藝在以天然氣為原料的合成氨和甲醇工業中普遍使用。

在煤化工中，工藝氣體中往往同時存在CO₂ 和H₂S，因此普遍使用低溫甲醇洗和NHD（聚乙二醇二甲醚）的物理吸收溶液方法來進行脫碳。

關于CO₂的處理，是一個需要綜合治理的問題，絕非把CO₂弄到地下就完事；另外，目前關于處理CO₂的辦法中，存在不少誤區，有的辦法是無效的，有的辦法是在幫倒忙。。

3.2.1 有效行為

(1)深埋

地下封存包括不可采煤層埋存、采空的油氣層埋存、強化采油回注埋存、深部鹽水層埋存等多種方式。總體而言，這些利用天然儲層的埋存方式比較安全可靠，不僅應用上較靈活，而且也有較充裕的埋存能力。目前，這個方法在歐洲受到青睞，不僅有研究機構，而且已經在IGCC電站中進行示范運用。2009年，澳大利亞也已經列入計劃。我國正在開展前期研究，還沒有進入實質性的研究階段。

針對我國的具體情況，這個辦法盡管不錯，但是有一定的難度。原因是：

①煤化工企業不在油田上，這需要長距離輸送CO₂，要建造很長距離的管道。

②注入地下的CO₂不能全部永遠留在地下，隨著油田開采的深入，回到地面的CO₂數量將不斷增加。

③單純將CO₂封閉在地下的辦法困難比較大。特別是我國的地形特殊，山地很多，地震活躍。一旦封存地發生地震，氣源噴發出來，災區民眾可能遭受窒息而更難生存，加大救災難度，后果嚴重。

因此，我國的地下封存法還要經過嚴格的科學驗證。

海洋埋存是實現大規模長期埋存二氧化碳的理想方式，但有技術經濟、環境影響等一系列復雜的問題有待解決，故目前尚處于探索階段。在上世紀90年代，國外曾經研究過在海洋里撒入純鐵粉，使海水吸收CO₂促使海藻生長，但是后來發現這將對漁業產生不利影響，這個方法也就作罷。

(2)溫棚吸碳

將工業排放的CO₂，用管道輸送到農田的溫棚中，就是“溫棚吸碳”技術，或“溫棚CO₂施肥技術”。

利用農作物吸收CO₂，是利用或消除CO₂的良好方法。這是國內外正在大力提倡和推廣的辦法。

(3)植樹造林

森林和綠地生態埋存是回收CO₂最好的辦法，主要依靠大自然的陽光、水的力量，在光化學的作用下，將CO₂ 轉變成有機化合物，同時提供O₂，真乃一舉兩得，缺點是投資較大。森林和綠地回收CO₂的能力，或許可通過表4的一組數據來說明。

表4 綠地吸收CO₂的能力

具體來說，以合成油和甲醇為例，每生產1t油品所排向大氣的CO₂約是8.8t；每生產1t甲醇排向大氣的CO₂約是2.3t。

10000m²闊葉林每天能夠吸收1.0tCO₂。一個年產16萬t的合成油廠需要有4224公頃闊葉林相伴，即42.24平方千米闊葉林地；年產180萬t的甲醇廠(5500t/d)，需要128平方千米闊葉林地相伴；年產500萬t的合成油廠，需要1320平方千米闊葉林地相伴。

由此我們可以得到結論：煤化工應與綠地相伴！

3.2.2無效行為

在飲食業中， CO₂循環利用技術是指利用CO₂的物理特性來實現CO₂的資源化利用的技術，如用CO₂制作干冰、滅火劑、制冷劑、食品添加劑及超臨界萃取劑等。

目前，CO₂主要用在食品行業。在美國，CO₂消費量的48%用于食品的保鮮冷卻、冷藏和惰化，19.5%用于飲料碳酸化；在西歐，68%的CO₂用于飲料碳酸化和食品加工。在我國，預計在5年內對食品級CO₂的需求將達到1000萬t以上。

值得提及的是，該種利用方式與減排溫室氣體和低碳經濟無關，CO₂僅僅是一種媒介，用完后仍然回歸大氣，不能減少大氣中CO₂的含量。

3.2.3逆效行為

僅僅用化學能將CO₂轉化為其它化學物不可能使CO₂的排放減少。這個結論也許大家都明白，但是在實際工作中，想只用化學能將CO₂轉化為其它化學物以使CO₂的排放減少的案例很多。

 (1)CO₂加氫制甲醇、二甲醚

一些學者認為^[4]：CO₂是重要的碳一化學原料，可以合成多種化工產品。于是推薦用CO₂制取甲醇和二甲醚，認為可以利用這種方式把目前排空的二氧化碳利用起來。

這個思路產生于甲醇熱的高潮中，并不奇怪。但這種工藝不能達到減排CO₂的目的，因為在煤等化石原料制H₂的過程中會產生大量的CO₂，也就是說用CO₂作原料生產甲醇和二甲醚后，也許新產生的CO₂更多，見圖1。

 (2)CO₂與甲烷制合成氣

用甲烷與二氧化碳重整制備合成氣，從熱力學角度來看，該反應是可行的，實驗室和試驗裝置也取得實效。反應是強吸熱的，反應式為：

CH₄十C0₂ ＝ 2CO+ 2H₂，    △H₂₉₈＝+247kJ／mol

因此，有文獻認為“CH₄-CO₂重整制取合成氣的過程是甲烷、二氧化碳利用的一條有效途徑”，“該過程的開發和研究對緩解能源危機、減少溫室氣體排放以改善人類的生存環境具有重要的意義。”^[5]

事實上，這個反應作為甲烷蒸汽轉化的補碳是可行的，在工業中也確有使用，為了防止催化劑結碳，還要加入一定量的水蒸氣。但是如果單獨用于“消除”CO₂，是不能達到目的的，圖2表明，在這樣的工業過程中，用CO₂和CH₄制取CO+H₂，CO₂ 會越來越多。

    上述這些案例，通過化學能將CO₂轉化為其它化工產品，是為了利用CO₂，但無論這些方法設計得多么巧妙，要達到使CO₂的排放減少的目的，幾乎是不可能的。這個做法違背了基本的化學和熱力學原理。

提出這些方法的作者對于這類化學過程的工業化進程不太了解，不清楚參與和CO₂進行反應作原料的其它化學品的來源會產生更多的CO₂。

另一種情況是，企業為了標榜把自己產生的CO₂消除了，卻不經意地給社會產生更多的CO₂。

實際上，利用CO₂和消除CO₂是不一樣的，企業利用CO₂是無可非議的，但是不要輕易與消除CO₂聯系在一起，否則誤解將由此產生。

    當然，如果使用非化學能，如風能、太陽能、核裂變能等將CO₂轉化為其他化工產品，可以達到減少地球表面上的CO₂的目的，但是目前在經濟性方面可以說極不經濟。只有在核聚變實現以后，才有可能變為現實。

4  結論

(1)低碳經濟是一種現代化的高效經濟模式，應該積極支持。

(2)煤化工的發展應預防過熱，一定要有一個科學的發展規劃。

(3)要區別應用CO₂和消除CO₂之間的差別，許多應用CO₂的方法，不能消除CO₂，雖然用掉了本企業的CO₂，但是給社會產生新的CO₂，反而使CO₂越來越多。

(4)植樹造林是首選的消除CO₂的方法。

(5)低碳經濟下煤化工可適度發展柴油和甲烷。

參考文獻

[1]章寧.從丹麥能源模式看低碳經濟特征[J].全球科技經濟瞭望,2007,(12):50-56

[2]張興剛.醋酸：技術突破帶來產能暴漲 [N] . 中國化工報，2009.12.14

[3]唐宏青.油氣時代我國煤化工的主攻方向[C].2009中國煤化工產業可持續發展研討會論文集，2009.12

[4]肖二飛.CO₂ 加氫合成甲醇催化劑研究進展[J].氮肥與甲醇，2008，3(5):82-86

[5]陳吉祥.甲烷與二氧化碳重整制取合成氣研究進展[J].天然氣化工，2003，28(6):32-37